«Грязный воздух» в Формуле‑1 — это турбулентный, возмущённый поток воздуха, который создаёт впереди идущий автомобиль и который снижает эффективность машины, следующей позади. Этот возмущённый воздух нарушает аэродинамику преследующего автомобиля, значительно уменьшая его прижимную силу, что приводит к потере сцепления с трассой и снижению скорости в поворотах.
Напротив, впереди идущий автомобиль движется в «чистом воздухе» — невозмущённом потоке, который позволяет его аэродинамическим элементам работать эффективно и создавать максимальную прижимную силу.
Это аэродинамическое возмущение создаёт для следующего позади автомобиля ряд проблем, в том числе:
- Снижение прижимной силы: турбулентный след нарушает обтекание крыльев заднего автомобиля, приводя к резкому падению аэродинамического сцепления. Это вынуждает пилота раньше сбрасывать скорость в поворотах, что ухудшает время прохождения круга.
- Потеря аэродинамического баланса: возмущение в первую очередь влияет на переднюю часть машины, часто дестабилизируя переднее антикрыло и вызывая недостаточную поворачиваемость. В некоторых случаях страдает и сцепление задней оси, делая поведение машины непредсказуемым.
- Ухудшение прохождения поворотов: из‑за снижения аэродинамического сцепления и нарушения баланса пилотам приходится сильнее замедляться, чтобы безопасно пройти поворот, что ограничивает возможности для обгонов.
- Проблемы с охлаждением: турбулентный след также несёт меньше полного давления, уменьшая количество прохладного воздуха, поступающего к критически важным системам — таким как радиаторы и тормозные каналы. Это может привести к перегреву и потере мощности.
Короче говоря, «грязный воздух» — это турбулентный след впереди идущего автомобиля, из‑за которого машине позади сложно сохранять высокие характеристики, особенно в поворотах.
Значение «грязного воздуха» в Формуле‑1
Аэродинамическое сцепление — основа производительности в Формуле‑1, и ничто не ухудшает его быстрее, чем движение в следе за другим болидом. Это явление, известное как «грязный воздух» (dirty air), нарушает работу аэродинамических поверхностей машины, следующей позади: снижает сцепление с трассой и ограничивает её способность эффективно проходить повороты.
Хотя на прямых участках пилоты могут использовать попутный поток воздуха (slipstream), турбулентный воздух, который образуется за машиной в поворотах, создаёт серьёзные сложности для тех, кто пытается держаться вплотную.
Что означает «грязный воздух» в Ф‑1?
В Формуле‑1 «грязный воздух» — это турбулентный след, который возникает за болидом Ф‑1 при его движении сквозь воздушную среду. Этот след нарушает равномерное обтекание воздухом аэродинамических элементов, создавая за машиной зону нестабильного потока с пониженным давлением. Возникающая турбулентность мешает передним крыльям, днищу и диффузорам следующей машины создавать прижимную силу.
В отличие от «чистого воздуха», при котором аэродинамические элементы работают на пике эффективности, «грязный воздух» дестабилизирует поток над ключевыми поверхностями. Особенно чувствительно переднее крыло: его нарушение работы снижает сцепление при входе в поворот. Потеря контроля ограничивает способность машины сохранять скорость в поворотах и усложняет для пилота точные манипуляции.
Важная особенность «грязного воздуха» — его неравномерное воздействие. Турбулентный поток воздействует на разные зоны следующей машины неодинаково. Если переднее крыло может практически полностью потерять эффективность, заднее крыло при этом способно сохранять умеренную прижимную силу — это приводит к смещению аэродинамического баланса. Такой дисбаланс может вызвать недостаточную поворачиваемость (understeer) или нестабильность задней части машины — в зависимости от настроек.
Аэродинамики описывают это явление с помощью технических терминов: срыв вихрей (vortex shedding), отрыв потока (flow separation) и взаимодействие следов (wake interaction). Они характеризуют, как воздух повышенного давления, сходящий с крыльев лидирующей машины, создаёт хаотичные паттерны в воздушном потоке позади неё. Эти паттерны непредсказуемы и сложны для учёта при проектировании, что делает их постоянной проблемой при разработке болидов.
Когда возникает «грязный воздух» во время гонки?
«Грязный воздух» оказывает наиболее заметное влияние в поворотах, где следующему позади автомобилю требуется максимальная прижимная сила, чтобы сохранить сцепление с трассой и траекторию движения. На прямых участках движение в воздушном мешке (слипстрим) даёт преимущество за счёт снижения сопротивления, однако это преимущество исчезает при торможении и в поворотах, где аэродинамические элементы должны обеспечивать максимальную устойчивость.
Зоны прохождения поворотов — это участки трассы, где сцепление с дорогой ограничено: способность автомобиля сохранять скорость и управляемость определяется сцеплением шин и аэродинамической нагрузкой. Когда автомобиль следует за другим слишком близко в этих зонах, переднее антикрыло может потерять до половины прижимной силы, из‑за чего машина становится менее отзывчивой и склонной к недостаточной поворачиваемости.
В скоростных поворотах этот эффект усиливается. В этих точках аэродинамическая нагрузка максимальна, и любое нарушение воздушного потока существенно снижает производительность автомобиля. Гонщики вынуждены раньше сбрасывать газ, начинать торможение раньше или менять траекторию, чтобы не выехать за пределы трассы — всё это увеличивает время прохождения круга и снижает шансы на обгон.
Даже в поворотах средней и низкой скорости «грязный воздух» может влиять на поведение автомобиля. Хотя на таких скоростях зависимость от аэродинамики ниже, нарушение воздушного потока всё ещё может нарушить баланс. В гонках, где необходимо следовать за другим автомобилем по тактическим соображениям, команды часто закладывают в свои стратегии резервы, чтобы учесть потерю производительности при движении в турбулентном следе.
Как «грязный воздух» влияет на характеристики автомобиля
Турбулентный воздушный поток, следующий за болидом Формулы‑1, влияет не только на прижимную силу — он нарушает работу всех аэродинамических и тепловых систем, которым необходимы стабильное давление воздуха и его направленное движение.
Когда следующий автомобиль попадает в возмущённый воздушный след, эффективность его компонентов снижается по ряду параметров, причём наиболее критично это сказывается на сцеплении с трассой, балансе и контроле температуры.
Совокупность этих эффектов снижает уверенность пилота и ухудшает ходовые характеристики, особенно на высокоскоростных участках трассы.
Что происходит с прижимной силой в «грязном воздухе»?
Когда автомобиль следует вплотную за другим, он попадает в зону возмущённого воздушного потока, известную как турбулентный след. Этот поток нестабилен и характеризуется пониженным давлением, что существенно нарушает работу аэродинамических элементов.
Переднее антикрыло особенно чувствительно к таким нарушениям: в условиях «грязного воздуха» оно нередко теряет от 30 до 50 % своей способности создавать прижимную силу.
Модели вычислительной гидродинамики (CFD) показывают, что поток воздуха, отделяющийся от переднего антикрыла, уже не может эффективно перенаправляться под днище и к диффузору. Такой сбой в организации потока серьёзно ограничивает создание эффекта приземистости (ground effect), который вносит значительный вклад в общую прижимную силу современных болидов Формулы‑1. В результате передняя часть машины лишается необходимого сцепления с трассой при входе в высокоскоростные повороты.
Эта потеря приводит к недостаточной поворачиваемости: передние шины перестают точно реагировать на поворот руля. Пилоту приходится раньше сбрасывать газ, чтобы не выехать за пределы трассы, — это увеличивает время прохождения круга.
В некоторых ситуациях задняя часть автомобиля может сохранять частичную аэродинамическую нагрузку. Это создаёт нестабильность и требует корректировки баланса — либо через настройку машины, либо за счёт изменения стиля вождения.
«Грязный воздух» также меняет уровень лобового сопротивления. Хотя общее сопротивление может немного снижаться благодаря эффекту воздушного мешка (slipstream), потеря эффективного управления воздушным потоком вызывает локальные пики сопротивления — особенно в области днища и заднего антикрыла.
Эти зоны могут начать срывать поток (stall), что снижает как прижимную силу, так и предсказуемость поведения машины — особенно при рысканье (yaw) и крене (roll) в середине поворота.
Приводит ли «грязный воздух» к перегреву шин и тормозов?
Движение в «грязном воздухе» влияет не только на аэродинамические характеристики, но и на системы терморегуляции, которые зависят от стабильного потока воздуха. Тормозные воздуховоды, входные отверстия радиаторов и системы охлаждения турбонаддува нуждаются в свежем воздухе под высоким давлением для поддержания оптимальной температуры. В условиях турбулентного потока объём и направление воздуха, поступающего в эти системы, становятся менее эффективными.
Данные, полученные в результате испытаний в аэродинамической трубе, показывают, что застой воздушного потока в «грязном воздухе» может снизить эффективность охлаждения до 15 %. Падение общего давления в тормозных воздуховодах ограничивает массу воздуха, способного отводить тепло от карбоновых дисков и суппортов. Со временем это приводит к повышению температуры тормозов и увеличивает риск снижения их эффективности или появления глянцевой плёнки на поверхностях, особенно во время длительных отрезков гонки или в плотном трафике.
Радиаторы и интеркулеры страдают в равной степени. Когда поток воздуха нарушается, скорость теплообмена снижается, особенно в системах с плотной компоновкой и узкими входными каналами. Такое состояние может привести к повышению температуры моторного масла и охлаждающей жидкости на несколько градусов цельсия всего за несколько кругов, что вынуждает команды просить пилотов сбрасывать газ и двигаться накатом либо увеличивать дистанцию до впереди идущего автомобиля.
Шины также страдают. Турбулентный воздух увеличивает углы скольжения, поскольку автомобиль теряет аэродинамическое сцепление с трассой, из‑за чего шины сильнее проскальзывают в поворотах. Это приводит к избыточному нагреву в зоне контакта с поверхностью, ускоряя износ и повышая вероятность образования пузырей или зернистости. В сочетании с перегревом тормозов и двигателя эта цепочка теплового стресса может поставить под угрозу прохождение гоночного отрезка, даже если пилот демонстрирует идеальное мастерство.
Может ли «грязный воздух» изменить аэродинамический баланс и управляемость?
Да, «грязный воздух» существенно меняет аэродинамический баланс болида Формулы‑1, особенно в передней части. Когда переднее антикрыло теряет прижимную силу, а заднее сохраняет частичную эффективность, происходит смещение баланса от передней части к задней. Это влияет на то, как машина проходит повороты, и снижает уверенность пилота при входе в поворот и на его середине.
Аэродинамический баланс — это тонкое взаимодействие сил, действующих в различных точках шасси автомобиля. Нарушение в передней части снижает градиент давления, питающий пространство под днищем, что, в свою очередь, уменьшает вклад эффекта земли (ground effect). Без достаточной прижимной силы, нагружающей передние шины, машина становится непредсказуемой. Такая нестабильность вынуждает пилота постоянно корректировать руль и ограничивает возможности позднего торможения или раннего возврата к газу.
В высокоскоростных поворотах, где аэродинамическая нагрузка критически важна, даже небольшие сдвиги баланса могут привести к значительной потере времени. Машина может резко уйти в недостаточную поворачиваемость при входе в поворот, а затем перейти к избыточной поворачиваемости, когда задняя часть разгружается при нажатии на газ. Такая изменчивость затрудняет выбор гоночной траектории и эффективный контроль износа шин.
Команды могут вносить ограниченные изменения в настройки, чтобы компенсировать эти эффекты — например, регулировать углы закрылков или настройки дифференциала, — но это лишь временные меры. Расчёты методом вычислительной гидродинамики (CFD) и испытания в аэродинамической трубе неизменно показывают: самая эффективная стратегия снижения влияния — сохранять зазор для чистого воздушного потока или использовать конструктивные решения, снижающие восприимчивость к турбулентному следу. Пока правила не позволят в большей степени нейтрализовать «грязный воздух», его влияние на аэродинамический баланс останется ключевой проблемой в плотной гонке.
«Грязный воздух» против слипстрима: в чём разница?
В Формуле‑1 автомобили действуют в условиях турбулентной аэродинамической среды, где управление воздушным потоком может как улучшить, так и ухудшить время прохождения круга. Воздушный след, создаваемый лидирующей машиной, позволяет сопернику сократить дистанцию на прямых участках, но становится серьёзной проблемой в поворотах.
Слипстрим и «грязный воздух» — оба являются следствием этого аэродинамического следа, но оказывают противоположное воздействие…
Чем «грязный воздух» отличается от слипстрима?
Слипстрим даёт преимущество на прямых участках трассы, тогда как «грязный воздух» создаёт аэродинамические издержки, которые начинают действовать в тот момент, когда машина входит в поворот. Тот же турбулентный след, который снижает сопротивление, одновременно нарушает воздушный поток, необходимый для создания прижимной силы на аэродинамических элементах следующего за лидером автомобиля. Это создаёт тактическую дилемму: приходится выбирать между набором скорости и потерей сцепления с трассой.
Когда следующий автомобиль входит в поворот, его антикрылья, днище и диффузор работают в условиях, где воздух лишён необходимого давления и качества потока (по сравнению с «чистым» воздухом). Сначала теряет эффективность переднее антикрыло — это приводит к недостаточной поворачиваемости, поскольку машине сложнее войти в поворот. Одновременно с этим снижение давления под днищем уменьшает способность автомобиля сохранять устойчивость при резких изменениях направления движения на высокой скорости.
Это постоянное изменение уровня аэродинамического сцепления создаёт эффект, который лучше всего описать как «аэродинамическая перетягивалка». Гонщик сокращает дистанцию на прямых за счёт слипстрима, но в поворотах отстаёт из‑за дестабилизирующего воздействия «грязного воздуха». Этот баланс определяет, как долго пилот может оставаться в воздушном следе другого автомобиля, прежде чем износ шин, перегрев или проблемы с аэродинамическим балансом вынудят его увеличить дистанцию.
Команды постоянно оценивают этот компромисс. Инженеры указывают гонщикам, когда атаковать, когда экономить энергию и когда охлаждать критически важные системы. Конфигурация трассы тоже играет важную роль: трассы с длинными прямыми участками и зонами интенсивного торможения благоприятствуют слипстриму, тогда как трассы с последовательностью высокоскоростных поворотов наказывают за длительное пребывание в турбулентном следе.
Сколько мощности и прижимной силы теряется в «грязном воздухе»?
Чтобы оценить влияние «грязного воздуха», необходимо измерить изменения силы сопротивления, требуемой мощности двигателя и аэродинамической нагрузки на различных дистанциях следования за другим автомобилем. Данные, полученные в результате испытаний в аэродинамической трубе и компьютерного моделирования (CFD) на типовой модели болида Формулы‑1, демонстрируют явное снижение как силы сопротивления, так и прижимной силы при сближении с воздушным следом другого автомобиля.
На расстоянии в две длины машины от лидера сила сопротивления составляет около 200 кг. Для преодоления этого сопротивления автомобилю требуется примерно 90 лошадиных сил, а расход топлива при скорости 200 км/ч составляет 30 граммов в секунду. При сокращении дистанции до одной длины машины сопротивление снижается до 184 кг, требуемая мощность падает до 68 лошадиных сил, а расход топлива — до 23 граммов в секунду. На расстоянии в половину длины машины сопротивление дополнительно уменьшается до 161 кг, а требуемая мощность составляет 54 лошадиные силы.
Однако по мере уменьшения сопротивления при сближении также снижается и прижимная сила. Лидирующий автомобиль в «чистом» воздухе сохраняет прижимную силу на уровне 680 кг, тогда как у следующего за ним автомобиля на расстоянии в одну длину машины она падает до 390 кг. На расстоянии в половину длины машины прижимная сила снижается до 310 кг, а на расстоянии в четверть длины машины составляет всего 260 кг — менее 40 % от максимального значения. Это напрямую влияет на скорость прохождения поворотов, стабильность при торможении и износ шин.
Почему «грязный воздух» затрудняет обгоны в Формуле‑1
Болиды Формулы‑1 демонстрируют максимальные характеристики только в условиях «чистого» воздушного потока. Однако в плотном трафике аэродинамические свойства машины сразу ухудшаются.
«Грязный воздух» снижает аэродинамическое сцепление с трассой и запускает цепочку негативных последствий: нарушается работа шин, снижается эффективность тормозов, падает уверенность пилота.
Это ухудшение аэродинамических характеристик играет ключевую роль при формировании гоночной стратегии и ограничивает возможности для обгонов — особенно на трассах с длинными и скоростными поворотами.
Как «грязный воздух» ограничивает плотную борьбу на трассе?
Главная проблема «грязного воздуха» — потеря аэродинамической прижимной силы. Когда автомобиль вплотную следует за другим, он попадает в зону турбулентного следа, где профиль воздушного потока существенно искажается. Это нарушает обтекание крыльев и днища машины, снижая эффективность их работы. Прежде всего страдает сцепление передней части автомобиля с трассой, что ухудшает отклик на поворот руля и приводит к недостаточной поворачиваемости в середине поворота.
По мере падения прижимной силы машина теряет сцепление с поверхностью трассы. Это вынуждает пилота раньше обычного сбрасывать газ и начинать торможение, чтобы сохранить контроль над автомобилем. Из‑за потери аэродинамического сцепления машине труднее держаться на оптимальной гоночной траектории: её сносит наружу поворота либо возникают резкие срывы в избыточную поворачиваемость, что повреждает шины и приводит к потере времени. Пилотам приходится корректировать стиль вождения круг за кругом, что увеличивает психологическую нагрузку и снижает общую стабильность результатов.
Эта потеря аэродинамической эффективности также заставляет автомобиль работать в более напряжённом механическом режиме. Из‑за повышенного скольжения и снижения аэродинамической нагрузки температура поверхности шин быстро растёт. Когда шины перегреваются, они теряют сцепление с трассой и начинают изнашиваться — это ещё сильнее затрудняет возможность приблизиться достаточно близко для совершения обгона. Тормоза тоже могут перегреваться, если турбулентный след ограничивает поток воздуха через охлаждающие каналы, — это снижает эффективность торможения в ключевых точках, где возможны обгоны.
Совокупный эффект от нарушения аэродинамики, перегрева шин, снижения эффективности тормозов и дисбаланса в управляемости вынуждает пилотов немного отступать в поворотах, а затем пытаться вновь сократить дистанцию на следующих прямых участках. Здесь критически важны точный расчёт времени и минимальные допуски на ошибку. Именно эта повторяющаяся схема — одна из основных причин, почему обгоны остаются сложными, особенно когда характеристики автомобилей равны.
Какие автомобили сильнее всего страдают от «грязного воздуха»?
Болиды Формулы‑1 — одни из самых аэродинамически чувствительных машин в автоспорте. Большую часть сцепления с трассой они получают за счёт прижимной силы, которую создают переднее и заднее антикрылья, диффузор, тоннельные каналы под днищем и бортовые панели. Это делает их особенно уязвимыми к турбулентному следу. Когда поток воздуха нарушается, почти все аэродинамические поверхности теряют эффективность, и весь аэродинамический пакет становится несбалансированным.
Напротив, туристические автомобили и машины класса GT в большей степени полагаются на механическое сцепление с трассой и имеют закрытые колёсные арки, что снижает их чувствительность к поперечным потокам и турбулентному воздуху. Такие кузова закрытой конструкции могут эффективнее работать в условиях возмущённого воздушного потока. В результате в категориях вроде WEC или IMSA машины могут дольше ехать плотной группой без такого же уровня ухудшения аэродинамики, какое наблюдается у одноместных болидов.
Болиды Формулы‑2 и Формулы‑3, хотя и менее сложны аэродинамически по сравнению с машинами Ф1, всё же существенно страдают от «грязного воздуха». Эти автомобили создают меньший общий объём прижимной силы, а значит, любая аэродинамическая потеря составляет большую долю от их общего сцепления с трассой. Результат аналогичен Ф1: снижение способности проходить повороты, ограниченные возможности для обгонов и повышенный износ шин.
Среди автомобилей с открытыми колёсами больше всего страдают те, у которых:
- меньшая высота дорожного просвета;
- конфигурация с высокой прижимной силой;
- более сложная структура управления воздушным потоком.
Чем сильнее автомобиль зависит от «чистого» воздушного потока для достижения лучшего времени на круге, тем больше он теряет в турбулентных условиях.
В этом отношении правила, связанные с эффектом земли (ground effect), которые Ф1 ввела в 2022 году и продолжает развивать к 2026 году, призваны смягчить эту проблему за счёт акцента на управлении потоком воздуха под машиной. Однако проблема «грязного воздуха» пока не решена полностью…
Источник: f1chronicle.com